EP0672520A1 - Mehrschichtiger, kaltverformbarer und tiefziehfähiger Verbundkörper aus Metall - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a multilayer, cold-formable and deep-drawable composite body made of metal.
- Such a composite body formed from several interconnected layers, must have a wide variety of properties depending on the end product that is ultimately produced from it.
- the properties of the individual layers are ideally combined. It is easily possible that certain properties, e.g. Forming properties of a multilayer composite are significantly different from the forming properties that each individual material of the composite can individually expect.
- An example of an application of such a multilayer composite body is to serve a multilayer, deep-drawn cookware with a bottom section and thus one-piece wall section, the bottom section having the same structure in cross section as the wall section.
- Such cookware should be able to be used with traditional energy sources such as gas, electrical or halogen, but in particular with induction cookers.
- the multilayer composite body from which the cookware is made must be thermally conductive and at the same time magnetizable. At least the be formed as a composite body cold-formable for the manufacture of the cookware.
- Cookware which is deep-drawn from known, multi-layer composite bodies, has poor long-term behavior, in particular of the base section, in that deformations occur, i.e. the bearing surface of the base section deforms after prolonged use.
- production suffers from high reject rates.
- the invention seeks to remedy this.
- the invention as characterized in the claims, solves the problem of creating a multilayer, cold-formable and deep-drawable composite body made of metal which is easy to process, inexpensive, thermally conductive and magnetizable and has a low weight, and which is made of pure aluminum or an aluminum alloy comprises core layer, which is arranged between two outer layers arranged in mirror image to the same, which contain an austenitic and / or a ferromagnetic steel.
- a cookware is to serve as an example of a product produced from the composite body according to the invention.
- the composite body containing several layers according to the desired design is initially produced as a blank and rolled, among other things. After the rolling, the deep-drawing takes place, so that the bottom section 6 and the wall section 7 of the cookware are formed.
- the closing or flanging 8 indicated schematically at the edge of the wall section 7 may take place in a later operation.
- transition area between the bottom section 6 and the wall section 7 and also along the two sections 6 and 7 is very critical with regard to mutual adhesion of the different layers, since the different layers are plastically deformed.
- wave-shaped or groove-shaped deformations can occur during cold forming, particularly where a side section is deep-drawn 90 ° to the rolling direction.
- FIGS. 2-9 show different embodiments of the invention in the representation of a respective composite body.
- a core layer 1 made of pure aluminum or an aluminum alloy is present in each version.
- the aluminum alloy can have, for example, the composition according to types AA-3003 or AA-3004.
- the purpose of this core layer made of pure aluminum or an aluminum alloy is on the one hand to save weight, and on the other hand aluminum is a good heat conductor, which is crucial for a good cooking result.
- this core layer 1 On both sides of this core layer 1 there is an outer layer section which, as will be shown, can be constructed differently. It is essential that the respective outer layer sections are arranged in mirror image with respect to the core layer. These outer layer sections basically contain an austenitic and / or a ferromagnetic steel.
- FIG. 2 shows a first embodiment, which has a core layer 1 made of pure aluminum or an aluminum alloy, which is covered on both sides by a layer 2 made of a ferritic stainless steel.
- the ferritic stainless steel ensures magnetizability and also corrosion resistance.
- the ferritic stainless steel can be a Cr or CrMo steel with a content of 10-30, preferably 12-25% by weight Cr and in the case of additional Mo this content is 0.2-5, preferably 1-2,% by weight. % Mo.
- Suitable are ferritic stainless steels in the range of the AISI 400 to 499 series, in particular ferritic stainless steels of the qualities AISI 409, AISI 430, AISI 434, AISI 436 and AISI 444.
- each containing layers 2 made of a ferritic stainless steel is one of the above-mentioned in the range of the AISI 400-499 series.
- FIG. 3 shows a further embodiment in which the core layer 1 is again made of pure aluminum or an aluminum alloy.
- the ferromagnetic steel that forms layer 4 is a carbon steel, for example a steel from the AISI 1005-1010 series. Carbon steel is of course cheaper than ferritic stainless steel and is also easier to machine. However, carbon steel has the disadvantage of rusting. 3, each carbon steel layer 4 is arranged between two thinner layers 3 made of an austenitic, rustproof stainless steel. The respective outer layer section is thus formed from two layers 3 made of austenitic stainless steel and a layer 4 arranged therebetween made of carbon steel. It can be seen that the two outer layer sections 3-4-3 are arranged as a mirror image of the core layer 1, each additional layer section 3-4-3 additionally having layers 3, here consisting of an austenitic stainless steel, which are mirror image of the carbon steel layer 4.
- the austenitic stainless steel contains 15-29% by weight, preferably 12-22% by weight of Cr and 3-25% by weight of Ni. If necessary, it additionally contains 0.2 - 5% by weight, preferably 1 - 3% by weight Mo. It is a stainless steel of the range of the AISI 200-399 series and in particular a stainless steel with the qualities according to AISI 304 or AISI 316. It also applies here that each layer 3 of the different designs shown contains one of the austenitic stainless steels mentioned above.
- the embodiment according to FIG. 4 shows a core layer 1 made of pure aluminum or an aluminum alloy of the composition mentioned at the beginning, which is arranged between two outer layer sections, each of which contains a layer 2 made of a ferritic stainless steel and which is arranged between two layers 3 of austenitic stainless steels.
- FIG. 5 shows an embodiment in which the core layer 1 consists only of an aluminum alloy.
- the two outermost layers 2 consist of a ferritic stainless steel.
- a layer 5 of pure aluminum is arranged between a respective outermost layer 2 and the core layer 1 made of an aluminum alloy, so that the respective outer layer section consists of a layer 2 of a ferritic stainless steel and a layer 5 of pure aluminum.
- the embodiment according to FIG. 6 is comparable to that according to FIGS. 3 and 5, in that a layer 5 of pure aluminum is arranged on both sides of the core layer 1 made of an aluminum alloy.
- a respective outer layer section thus consists of layer 5 made of pure aluminum, followed by layers 3 (austenitic stainless steel), 4 (carbon steel) and 3 (austenitic stainless steel).
- FIG. 7 shows a further embodiment that is comparable to FIG. 4 or 5.
- the core layer 1 made of an aluminum alloy is followed in each case by a layer 5 made of pure aluminum, a layer 3 made of an austenitic stainless steel, a layer 2 made of a ferritic stainless steel and finally a further layer 3 made of austenitic stainless steel.
- the embodiment according to FIG. 8 shows a core layer 1 made of an aluminum alloy. There is a layer 5 of pure aluminum on both sides of the core layer. The layer 5 made of pure aluminum is followed by a layer 4 made of carbon steel and a further layer 3 made of an austenitic stainless steel. Again, layers 5, 4, 3 are arranged in mirror image relative to one another relative to core layer 1.
- FIG. 9 shows an embodiment with a core layer 1 made of an aluminum alloy, to which a layer 5 made of pure aluminum is connected on both sides.
- Each layer 5 made of pure aluminum is composed of a layer 2 made of ferritic stainless steel and a further layer 3 made of austenitic stainless steel.
- the multilayer composite body is produced by known processes.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen mehrschichtigen, kaltverformbaren und tiefziehfähigen Verbundkörper aus Metall.
- Ein solcher, aus mehreren miteinander verbundenen Schichten gebildeter Verbundkörper muss abhängig vom Endprodukt, das aus ihm schliesslich hergestellt wird, die unterschiedlichsten Eigenschaften aufweisen. In idealer Weise werden die Eigenschaften der einzelnen Schichten vereint. Dabei ist es ohne weiteres möglich, dass gewisse Eigenschaften, z.B. Umformeigenschaften eines mehrschichtigen Verbundkörpers wesentlich verschieden sind von den Umformeigenschaften, die jeder einzelne Werkstoff des Verbundkörpers einzeln für sich erwarten lässt.
- Es gibt nun Anwendungsfälle, die einen mehrschichtigen Verbundkörper fordern, der nicht nur kaltverformbar und tiefziehfähig ist, sondern auch wärmeleitfähig und magnetisierbar ist.
- Als Beispiel einer Anwendung eines solchen mehrschichtigen Verbundkörpers soll ein mehrschichtiges, tiefgezogenes Kochgeschirr mit einem Bodenabschnitt und damit einstückig ausgebildetem Wandabschnitt dienen, wobei der Bodenabschnitt im Querschnitt denselben Aufbau wie der Wandabschnitt aufweist.
- Solche Kochgeschirre sollen bei traditionellen Energiequellen wie Gas, Elektro oder Halogen, jedoch insbesondere bei Induktionsherden verwendet werden können.
- Der mehrschichtige Verbundkörper, aus welchem das Kochgeschirr hergestellt ist, muss wärmeleitfähig und zugleich magnetisierbar sein. Weiter muss mindestens der als Verbundkörper ausgebildete Rohling zur Herstellung des Kochgeschirres kaltumformbar sein.
- Aus bekannten, mehrschichtigen Verbundkörpern tiefgezogene Kochgeschirre weisen einerseits ein schlechtes Langzeitverhalten insbesondere des Bodenabschnittes auf, indem Verformungen entstehen, d.h. die Auflagefläche des Bodenabschnittes verformt sich nach längerem Gebrauch. Andererseits und insbesondere leidet die Herstellung unter grossen Ausschussraten. Beispielsweise lösen sich bei Tiefzieh-, Nachzieh- und Nachpressoperationen des Verbundkörpers die einzelnen, ursprünglich miteinander verbundenen Schichten voneinander und/oder zerreissen, und es entstehen vor allem beim Umformen von ferritischen Edelstählen um 90° zur Walzrichtung Zonen mit Einschnürungen, die wie Rillen oder Wellen aussehen, eine Erscheinung, die in der Fachwelt als Rilligkeit bekannt ist und ein in mindestens einem weiteren Arbeitsgang erfolgendes Schleifen des Produktes benötigt. Mit anderen mehrschichtigen Verbundkörpern lassen sich auch nicht die gleichen Umformgrade erreichen.
- Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen mehrschichtigen, kaltverformbaren und tiefziehfähigen Verbundkörper aus Metall zu schaffen, der leicht verarbeitbar, kostengünstig, wärmeleitfähig und magnetisierbar ist sowie ein kleines Gewicht aufweist, und der eine Reinaluminium oder eine Aluminiumlegierung aufweisende Kernschicht enthält, die zwischen zwei spiegelbildlich zu derselben angeordneten Aussenschicht angeordnet ist, die einen austenitischen und/oder einen ferromagnetischen Stahl enthalten.
- Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass aus diesem Verbundkörper hergestellte Erzeugnisse ein ausgezeichnetes Langzeitverhalten bezüglich Verformungen und einen hohen Umformgrad aufweisen, dass bei der Herstellung des Erzeugnisses keine Verwerfungen, Schichtablösungen und Schichtreisser des Verbundkörpers entstehen und damit kaum Ausschuss produziert wird, und dass das Erzeugnis ein kleines Gewicht aufweist und kostengünstig ist.
- Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
- Figur l zeigt vereinfacht einen Schnitt durch einen Teil eines aus einem Verbundkörper hergestellten Kochgeschirrs, das einen Bodenabschnitt und einen damit einstückig ausgebildeten Wandabschnitt aufweist; und
- Figuren 2 - 9 zeigen verschiedene Ausführungen von Schichtverbunden des erfindungsgemässen Verbundkörpers.
- Als Beispiel eines aus dem erfindungsgemässen Verbundkörper hergestelltes Erzeugnis soll ein Kochgeschirr dienen.
- Zur Herstellung des Kochgeschirrs wird vorerst der gemäss der erwünschten Ausführung mehrere Schichten enthaltende Verbundkörper als Rohling hergestellt und unter anderem gewalzt. Nach dem Walzen erfolgt das Tiefziehen, so dass der Bodenabschnitt 6 und der Wandabschnitt 7 des Kochgeschirrs gebildet werden. Möglicherweise erfolgt in einem späteren Arbeitsgang die schematisch angedeutete Schliessung oder Umbördelung 8 beim Rand des Wandabschnittes 7.
- Es ist ersichtlich, dass in bezug auf eine gegenseitige Haftung der verschiedenen Schichten der Uebergangsbereich zwischen dem Bodenabschnitt 6 und dem Wandabschnitt 7 und auch entlang der zwei Abschnitte 6 und 7, da die verschiedenen Schichten plastisch verformt werden, sehr kritisch ist. Zudem können beim Kaltverformen, insbesondere wo ein Seitenabschnitt 90° zur Walzrichtung tiefgezogen wird, wellen- oder rillenförmige Verformungen entstehen.
- Zur Darstellung der Figur l ist noch festzuhalten, dass die dort gezeichneten Schichten nur repräsentativ sind und auch mehr als drei Schichten vorhanden sein können, wie dem Fachmann allgemein bekannt ist.
- Es wird nun grundsätzlich auf die Figuren 2 - 9 verwiesen, welche verschiedene Ausführungen der Erfindung in der Darstellung eines jeweiligen Verbundkörpers zeigen.
- Bei jeder Ausführung ist eine Kernschicht l aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung vorhanden. Die Aluminiumlegierung kann beispielsweise die Zusammensetzung nach den Typen AA-3003 oder AA-3004 aufweisen. Der Zweck dieser Kernschicht aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung ist einerseits, dass eine Gewichtsersparnis erzielt wird, und andererseits ist Aluminium ein guter Wärmeleiter, was für ein gutes Kochresultat entscheidend ist.
- Auf beiden Seiten dieser Kernschicht l ist ein Aussenschichtabschnitt vorhanden, der wie noch gezeigt wird, unterschiedlich aufgebaut sein kann. Wesentlich ist, dass die jeweiligen Aussenschichtabschnitte in bezug auf die Kernschicht spiegelbildlich angeordnet sind. Diese Aussenschichtabschnitte enthalten grundsätzlich einen austenitischen und/oder einen ferromagnetischen Stahl.
- Die Figur 2 zeigt eine erste Ausführung, welche eine Kernschicht l aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung aufweist, die beidseits von einer Schicht 2 aus einem ferritischen Edelstahl überdeckt ist. Der ferritische Edelstahl stellt die Magnetisierbarkeit und auch die Korrosionsbeständigkeit sicher. Der ferritische Edelstahl kann ein Cr oder CrMo-Stahl sein mit einem Gehalt von 10 - 30, vorzugsweise 12 - 25 Gew.-% Cr und im Falle von zusätzlich Mo beträgt dieser Gehalt 0,2 - 5, vorzugsweise l - 2 Gew.-% Mo. Geeignet sind ferritische Edelstähle des Bereichs der Serie AISI 400 bis 499, insbesondere ferritische Edelstähle der Qualitäten AISI 409, AISI 430, AISI 434, AISI 436 und AISI 444.
- Diese ferritischen Edelstähle bilden also die Schicht 2 der Ausführung nach Fig. 2.
- Hierzu ist zu bemerken, dass bei sämtlichen weiteren Ausführungen, die jeweils Schichten 2 aus einem ferritischen Edelstahl enthalten, dieser ferritische Edelstahl einer der oben genannten des Bereichs der Serie AISI 400 - 499 ist.
- Figur 3 zeigt eine weitere Ausführung, bei welcher wieder die Kernschicht l aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung vorhanden ist.
- Hier ist jedoch der ferromagnetische Stahl, der die Schicht 4 bildet, ein Kohlenstoffstahl, beispielsweise ein Stahl der Serie AISI 1005 - 1010. Kohlenstoffstahl ist natürlich billiger als ferritischer Edelstahl und lässt sich auch einfacher bearbeiten. Jedoch weist Kohlenstoffstahl den Nachteil auf, dass er rostet. Folglich ist gemäss Figur 3 jede Kohlenstoffstahl-Schicht 4 zwischen zwei dünneren Schichten 3 aus einem austenitischen, rostfreien Edelstahl angeordnet. Somit ist der jeweilige Aussenschichtabschnitt aus zwei Schichten 3 aus austenitischem Edelstahl und einer dazwischen angeordneten Schicht 4 aus einem Kohlenstoffstahl gebildet. Es ist ersichtlich, dass die zwei Aussenschichtabschnitte 3-4-3 spiegelbildlich zur Kernschicht l angeordnet sind, wobei zusätzlich jeder Aussenschichtabschnitt 3-4-3 für sich zur Kohlenstoffstahl-Schicht 4 spiegelbildlich angeordnete Schichten 3, hier aus einem austenitischen Edelstahl bestehend, aufweist.
- Der austenitische Edelstahl enthält 15 - 29 Gew.-%, vorzugsweise l2 - 22 Gew.-% Cr und 3 - 25 Gew.-% Ni. Gegebenenfalls enthält er zusätzlich 0,2 - 5 Gew.-%, vorzugsweise 1 - 3 Gew.-% Mo. Er ist ein Edelstahl des Bereichs der Serie AISI 200 -399 und insbesondere ein Edelstahl mit den Qualitäten nach AISI 304 oder AISI 316. Auch hier gilt, dass jede Schicht 3 der verschiedenen gezeichneten Ausführungen einen der oben erwähnten austenitischen Edelstähle enthält.
- Die Ausführung nach Figur 4 zeigt eine Kernschicht l aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung der eingangs erwähnten Zusammensetzung, die zwischen zwei Aussenschichtabschnitten angeordnet ist, die jeweils eine zwischen zwei Schichten 3 austenitischen Edelstählen angeordnete Schicht 2 aus einem ferritischen Edelstahl enthalten.
- Figur 5 zeigt eine Ausführung, bei welcher die Kernschicht l nur aus einer Aluminiumlegierung besteht. Analog zur Ausführung nach Figur 2 bestehen die zwei äussersten Schichten 2 aus einem ferritischen Edelstahl. Bei dieser Ausführung ist zwischen einer jeweiligen äussersten Schicht 2 und der Kernschicht l aus einer Aluminiumlegierung eine Schicht 5 aus Reinaluminium angeordnet, so dass der jeweilige Aussenschichtabschnitt aus einer Schicht 2 aus einem ferritischen Edelstahl und einer Schicht 5 aus Reinaluminium besteht.
- Die Ausführung nach Figur 6 ist mit derjenigen nach Figur 3 bzw. 5 vergleichbar, indem wieder auf der Kernschicht l aus einer Aluminiumlegierung beidseitig eine Schicht 5 aus Reinaluminium angeordnet ist. Damit besteht ein jeweiliger Aussenschichtabschnitt aus der Schicht 5 aus Reinaluminium, gefolgt von den Schichten 3 (austenitischer Edelstahl), 4 (Kohlenstoffstahl) und 3 (austenitischer Edelstahl).
- In der Figur 7 ist eine weitere, mit der Figur 4 bzw. 5 vergleichbare Ausführung dargestellt. Die Kernschicht l aus einer Aluminiumlegierung ist von jeweils einer Schicht 5 aus Reinaluminium gefolgt, einer Schicht 3 aus einem austenitischen Edelstahl, eine Schicht 2 aus einem ferritischen Edelstahl und schliesslich einer weiteren Schicht 3 aus austenitischem Edelstahl.
- Die Ausführung nach Figur 8 zeigt eine Kernschicht 1 aus einer Aluminiumlegierung. Auf beiden Seiten der Kernschicht befindet sich eine Schicht 5 aus Reinaluminium. Die Schicht 5 aus Reinaluminium ist gefolgt von einer Schicht 4 aus Kohlenstoffstahl und einer weiteren Schicht 3 aus einem austenitischen Edelstahl. Wieder sind die Schichten 5,4,3 relativ zu Kernschicht 1 spiegelbildlich zueinander angeordnet.
- Die Figur 9 zeigt eine Ausführung mit einer Kernschicht 1 aus einer Aluminiumlegierung, an welcher beidseitig eine Schicht 5 aus Reinaluminium anschliesst. Jede Schicht 5 aus Reinaluminium ist von einer Schicht 2 aus ferritischem Edelstahl und einer weiteren Schicht 3 aus austenitischem Edelstahl.
- Die Herstellung des mehrschichtigen Verbundkörpers erfolgt nach bekannten Verfahren.
- Damit liegt ein gut wärmeleitfähiger und magnetisierbarer Verbundkörper mit einer Mehrzahl Schichten vor, der sich ausgezeichnet insbesondere durch Kaltverformung zu beispielsweise Kochgeschirr verarbeiten lässt.
Claims (11)
- Mehrschichtiger, kaltverformbarer und tiefziehfähiger Verbundkörper aus Metall, gekennzeichnet durch- eine Kernschicht (1), die Reinaluminium oder eine Aluminiumlegierung enthält, welche Kernschicht (1) zwischen- zwei Aussenschichtabschnitten (2,3,4,5) angeordnet ist, die einen- austenitischen und/oder einen- ferromagnetischen Stahl enthalten,- welche Aussenschichtabschnitte bezüglich der Kernschicht spiegelbildlich zueinander ausgebildet sind.
- Verbundkörper nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass beiden Aussenschichtabschnitte (2) aus- einem ferritischen Edelstahl bestehen.
- Verbundkörper nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Aussenschichtabschnitt aus- zwei Schichten (3) aus je einem austenitischen Edelstahl und einer- dazwischen angeordneten Schicht (2 bzw. 4) aus einem ferritischen Edelstahl oder aus Kohlenstoffstahl besteht.
- Verbundkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht eine Aluminiumlegierung aufweist und zwischen jedem Aussenschichtabschnitt und der Kernschicht (l) eine- Zwischenschicht (5) aus Rein-Aluminium angeordnet ist.
- Verbundkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ferritische Edelstahl ein Cr oder CrMo-Stahl ist.
- Verbundkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der ferritische Edelstahl 10- 30, vorzugsweise 12 - 25 Gew.-% Cr enthält.
- Verbundkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der ferritische Edelstahl zusätzlich 0,2 - 5, vorzugsweise 1 - 2 Gew.-% Mo enthält.
- Verbundkörper nach einem der Ansprüche l, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der austenitische Edelstahl ein CrNi oder ein CrNiMo-Stahl ist.
- Verbundkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der austenitische Edelstahl 15-29 Gew.-% Cr und 3-25 Gew.-% Ni, vorzugsweise 15-22 Gew.-% Cr und 3-25 Gew.-% Ni enthält.
- Verbundkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der austenitische Edelstahl 15 - 29 Gew.-% Cr, 3 - 25 Gew.-% Ni und 0,2 - 5 Gew.-% Mo, vorzugsweise 15 - 22 Gew.-% Cr, 3 - 25 Gew.-% Ni und l - 3 Gew.-% Mo enthält.
- Kochgeschirr, hergestellt aus einem Verbundkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches Kochgeschirr einen Bodenabschnitt (6) und daran anschliessenden und damit einstückig ausgebildeten Wandabschnitt (7) aufweist, welcher Bodenabschnitt im Querschnitt denselben Aufbau wie der Wandabschnitt aufweist.
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